張 磊，梅廣紅，何 騫，劉 佳，梁 恒

（1. 中聯(lián)重科股份有限公司 渭南分公司，陜西 渭南；2. 北京建筑機(jī)械化研究院有限公司，北京 100007）

［關(guān)鍵字］破拆救援機(jī)；控制系統(tǒng)；力矩限制

中聯(lián)重科國內(nèi)首臺(tái)多功能救援機(jī)是一種通過多種屬具的快速切換，可實(shí)現(xiàn)破拆，起重、高空救援等功能的大型多功能一體化救援設(shè)備，如圖1所示。該裝備作業(yè)功能多樣化，作業(yè)環(huán)境復(fù)雜惡劣，對(duì)作業(yè)安全性要求極高。本文從大型破拆救援裝備的狀態(tài)估計(jì)與安全控制技術(shù)方面開展了相關(guān)研究工作，主要分為破拆救援裝備安全狀態(tài)評(píng)估、安全控制2個(gè)部分。

圖1 多功能救援機(jī)虛擬樣機(jī)展示

1 安全作業(yè)狀態(tài)的在線評(píng)估

針對(duì)破拆救援裝備而言，其對(duì)地支撐點(diǎn)源于車體底盤的2條履帶。在高空作業(yè)的過程中為了確保不會(huì)發(fā)生傾翻事故，就必須保持力矩的平衡，保證傾翻力矩小于穩(wěn)定力矩。其中傾翻力矩是導(dǎo)致破拆救援裝備傾翻的力矩。同樣，穩(wěn)定力矩是保持破拆救援裝備穩(wěn)定、不傾翻的力矩。傾翻力矩與作業(yè)平臺(tái)自重、作業(yè)載荷及轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)角、臂架舉升角度、臂架伸出長度等因素有關(guān)。其中轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)角的不同決定著破拆裝備具體會(huì)向哪個(gè)方向傾翻的危險(xiǎn)，其力矩計(jì)算中參考的傾翻軸也因此不同。如圖2所示，將轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)角0°的方向定義為前向，由于裝備臂架系統(tǒng)可向前、后、左、右4個(gè)方向傾翻，所以可以轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)軸為中心，履帶的端點(diǎn)為固定點(diǎn)，將作業(yè)空間劃分為4個(gè)區(qū)域。由于轉(zhuǎn)臺(tái)可以360°旋轉(zhuǎn)，所以對(duì)于4個(gè)區(qū)間中位置相對(duì)的2個(gè)區(qū)間，在計(jì)算安全作業(yè)空間時(shí)可同等對(duì)待。

圖2 作業(yè)空間劃分成4個(gè)區(qū)域

根據(jù)車體尺寸，劃分出的4個(gè)區(qū)間如表1所示，其中k為整數(shù)。

表1 破拆救援裝備的4個(gè)作業(yè)區(qū)域

為了防止破拆救援裝備傾翻，作業(yè)空間中的安全作業(yè)區(qū)域即安全作業(yè)空間必須保證穩(wěn)定力矩大于傾翻力矩。對(duì)于第一區(qū)間而言，要防止臂架向作業(yè)平臺(tái)的方向傾翻，此時(shí)安全作業(yè)空間的確定描述如下：

假設(shè)車體底盤重心位于中心位置，被轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)軸貫穿。傾翻軸為前輪連線AB，l0為底盤中心與傾翻軸之間的距離，l2為臂架與轉(zhuǎn)臺(tái)之間鉸接點(diǎn)到轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)軸的距離，l3為轉(zhuǎn)臺(tái)總成的重心與底盤中心間的距離，底盤所受重力為G0，轉(zhuǎn)臺(tái)所受重力為G1，負(fù)載的質(zhì)量為mp，則

l4為產(chǎn)生穩(wěn)定力矩的臂架的長度，當(dāng)臂架的總長度超過l4時(shí)，超過l4的臂架以及作業(yè)平臺(tái)中的負(fù)載將會(huì)產(chǎn)生傾翻力矩。

由于本節(jié)考慮的破拆救援裝備臂架由三級(jí)臂組成，假設(shè)每一級(jí)臂的材質(zhì)均勻，每一級(jí)臂的中心都位于其幾何中心處，其線密度可分別用ρ1、ρ2、ρ3表示，三級(jí)臂的長度分別用L1、L2和L3表示，臂架的總長度可用LB表示，通過與l4的比較可確定破拆救援裝備的穩(wěn)定力矩和傾翻力矩。

當(dāng)l4≤L1時(shí)，穩(wěn)定力矩包括底盤相對(duì)傾翻軸的力矩G0l0，轉(zhuǎn)臺(tái)相對(duì)傾翻軸的力矩G1（l3cosα+l0），一級(jí)臂在傾翻軸內(nèi)部分相對(duì)傾翻軸的力矩ρ1gl4（l2cosα+l0）/2；傾翻力矩包括一級(jí)臂傾翻軸以外部分相對(duì)傾翻軸的力矩ρ1g（L1-l4）

當(dāng)L1≤l4＜（L1+L2）時(shí)，穩(wěn)定力矩包括底盤相對(duì)傾翻軸的力矩G0l0，轉(zhuǎn)臺(tái)相對(duì)傾翻軸的力矩G1（l3cosα+l0）；一級(jí)臂相對(duì)傾翻軸的力矩

當(dāng)L1+L2≤l4＜LB時(shí)，穩(wěn)定力矩包括底盤相對(duì)傾翻軸的力矩G0l0，轉(zhuǎn)臺(tái)相對(duì)傾翻軸的力矩G1（l3cosα+l0），一級(jí)臂相對(duì)傾翻軸的力矩11gLρ力矩包括三級(jí)臂在傾翻軸以外部分相對(duì)傾翻軸的力

通過計(jì)算不同情況下穩(wěn)定力矩大于傾翻力矩時(shí)LB的最大值，就可以確定第一作業(yè)區(qū)間內(nèi)相對(duì)安全的作業(yè)空間范圍。同理，在變換傾翻軸之后，很容易在第二、三、四作業(yè)空間得到相應(yīng)的分析結(jié)果。通過理論計(jì)算給出當(dāng)高空作業(yè)平臺(tái)負(fù)載為200kg時(shí)，三維空間的幅度限制曲線如圖3所示，可見安全作業(yè)空間與可達(dá)工作空間不同，是一個(gè)不規(guī)則的幾何形狀體。

圖3 高空作業(yè)平臺(tái)負(fù)載為200kg時(shí)，三維空間的幅度限制曲線

2 破拆裝備安全預(yù)警與控制技術(shù)

破拆裝備作業(yè)過程的安全性是其應(yīng)用中的首要前提，不僅要保證設(shè)備自身的運(yùn)行安全，還要確保作業(yè)人員的安全，因此需要對(duì)其安全控制技術(shù)開展研究。

（1）動(dòng)態(tài)防傾翻安全控制。將各臂、各油缸的重量、重心位置等參數(shù)以及底盤穩(wěn)定力矩等參數(shù)設(shè)定到控制器中，由控制器根據(jù)檢測的載荷情況（高空作業(yè)、起重模式下）、各臂的位姿變化情況、臂架方位情況實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前的傾翻力矩，根據(jù)不同模式下設(shè)定的不同安全系數(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算出安全作業(yè)情況下的幅度報(bào)警值和限幅值，進(jìn)行報(bào)警和動(dòng)作限制，禁止使作業(yè)幅度變大方向的比例閥控制。動(dòng)態(tài)防傾翻安全控制的控制流程圖如圖4所示。

圖4 動(dòng)態(tài)防傾翻安全控制的控制流程圖

（2）平臺(tái)調(diào)平控制。當(dāng)平臺(tái)傾斜角度超過安全限位時(shí)，切斷閥門輸出的控制開關(guān)，使臂架處于輸出鎖定狀態(tài)；當(dāng)平臺(tái)傾斜角度在安全范圍內(nèi)時(shí)，根據(jù)檢測的平臺(tái)傾斜角度，控制平臺(tái)調(diào)平比例閥，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的調(diào)平控制。調(diào)平時(shí)為避免調(diào)平過程出現(xiàn)震蕩，在接近水平位置設(shè)置閾值，當(dāng)傾斜角度在閾值之內(nèi)時(shí)不予調(diào)節(jié)。平臺(tái)調(diào)平的控制流程如圖5所示。

圖5 平臺(tái)調(diào)平的控制流程

（3）底盤傾斜保護(hù)控制。本設(shè)備無支腿設(shè)計(jì)，在控制中設(shè)定底盤傾角安全閾值。若底盤的傾斜角度過大，則禁止整車臂架的底盤旋轉(zhuǎn)、向上變幅、臂架伸展等運(yùn)動(dòng)，并提示操作人員將停車位置整平后再作業(yè)。底盤傾斜保護(hù)的控制模塊設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 底盤傾斜保護(hù)的控制模塊設(shè)計(jì)

（4）上下車互鎖控制。在高空作業(yè)模式下，若檢測到平臺(tái)操縱使能按鈕，則限制在駕駛室操縱整車。駕駛員發(fā)現(xiàn)緊急情況時(shí)，可通過切換至準(zhǔn)備模式接管整車作業(yè)。若駕駛員將工作模式選為高空作業(yè)模式和起吊模式，則鎖定下車運(yùn)動(dòng)功能，限制底盤的行走，并在顯示器上作出相應(yīng)指示。上下車互鎖功能通過控制邏輯軟件實(shí)現(xiàn)，控制模塊設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 上下車互鎖控制模塊設(shè)計(jì)

（5）起吊保護(hù)功能。起吊頂端限位：通過起吊限位進(jìn)行起吊物是否到達(dá)臂架頂端的判斷，及時(shí)對(duì)卷揚(yáng)機(jī)進(jìn)行控制，避免對(duì)臂架或鋼絲繩造成損壞。起吊載荷限制：通過拉力傳感器檢測起吊過程拉力的異常變化，判斷鋼絲繩斷裂、超載等情況的發(fā)生，及時(shí)進(jìn)行保護(hù)。

（6）緊急停機(jī)控制功能。在駕駛室和高空平臺(tái)上均安裝有急停按鈕，當(dāng)按下急停按鈕后或平臺(tái)傾斜超過限定角度時(shí)，控制器軟件和電路硬件切斷所有動(dòng)作的輸出，整車處于輸出鎖定動(dòng)作狀態(tài)；在緊急停機(jī)狀態(tài)下，當(dāng)需要臨時(shí)控制整車動(dòng)作時(shí)，可通過手動(dòng)按下急停解鎖按鍵操作整車。為了保證緊急情況下控制系統(tǒng)對(duì)于安全保護(hù)的快速性和安全性，該應(yīng)急停機(jī)功能由電氣硬件實(shí)現(xiàn)，控制電路如圖8所示。該應(yīng)急信號(hào)同時(shí)被采集進(jìn)入控制器，通過軟件對(duì)控制邏輯進(jìn)行應(yīng)急動(dòng)作調(diào)整。

圖8 緊急停機(jī)控制電路圖

3 結(jié)束語

根據(jù)大型多功能救援機(jī)的工作特點(diǎn)，從破拆裝備作業(yè)過程的安全控制方面進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)防傾翻安全監(jiān)控、底盤傾斜保護(hù)、上下車動(dòng)作互鎖、高空平臺(tái)在線調(diào)平、起吊過載保護(hù)等安全控制功能。該課題的實(shí)施填補(bǔ)了我國在大型多功能救援裝備安全智能控制方面的空白，提高了我國高端裝備制造的控制安全性。